数字孪生官厅水库建设方案探析

袁 楠，奚 歌 郭晶晶

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 研究背景

数字孪生官厅水库是数字孪生永定河的重要组成部分和关键控制节点工程。在海河流域数字孪生永定河“统规统建、统规自建”的要求下，开展数字孪生官厅水库建设，可助力提升流域防洪、水资源调度的智能化水平[1]，是充分促进永定河流域骨干工程防洪效益的关键所在，是实现流域“四统一”的成败所在。建设数字孪生官厅水库，可切实提升官厅水库工程运行管理先进水平和监管时效性，是推动由人主导的“经验调度”向计算机推送结合人机互动的“智慧调度”[2]转变的重要举措，是实现官厅水库高质量发展的必由之路。

2 流域及工程概况

官厅水库位于永定河流域，水库坝址以上永定河流域面积4.34万km2，占永定河流域面积的92.3%。官厅水库主要有3条入库支流，分别是洋河、桑干河和妫水河。官厅水库是新中国成立后兴建的第一座大型水库，是永定河上的大型骨干工程，是一座具有防洪、供水、灌溉、发电等多种功能的大型水利枢纽，由永定河库区及妫水河库区组成，总库容41.6亿m3，水利枢纽工程主要由拦河坝、泄洪洞、溢洪道、水电站组成。

3 信息化建设基础与差距

3.1 信息化建设基础

3.1.1信息化基础设施

(1)监测感知

1)雨水情监测

通过人工观测和“北京市水文自动化系统”采集官厅水库水文站、官厅水库出库水文站、八号桥水文站的雨水情信息。通过“北京水情综合业务系统”采集水库上游34个报汛站雨水情信息，通过“官厅山峡防汛卫星雨水情遥测系统”对官厅水库上游29个雨量遥测站实时监测。

2)安全监测

表面变形监测：利用全站仪进行表面变形自动三维观测。

内观监测：已建坝体、坝基内部变形监测、剪切位移监测、渗流量监测，坝体和坝基渗流监测，绕坝渗流监测和应力应变监测等，实现自动监测。

3)视频监控

视频监控由安防监控、森林防火监控、高清河道和水利工程监控组成。

4)移动监测

官厅水库管理处已配置1台水面机器人(无人船)，用于水质自动化取样和监测。

(2)通信网络

1)骨干通信网

官厅水库管理处与北京市水务局通过一条10M专线实现通信传输，包括视频会议及内网工作。

2)二级通信网

北京市官厅水库管理处至基层站点之间是采用星型拓扑结构的通信链路。官厅水库管理处至出库站、综合楼、水工班、溢洪道、水文站、水政楼均已建设光缆，官厅水库管理处至永定河库区管理所通过无线扩频传输。

3)互联网接入

官厅水库管理处互联网接入链路40M，用于内部访问互联网使用。

(3)闸门自动化控制

目前官厅水库泄水闸门已实现闸门自动化控制，4孔闸门由4台独立的泄洪闸闸控系统分别操控。

(4)机房

中心机房位于官厅水库管理处主楼一层，包括网络通讯设备、服务器及存储设备、监控系统等硬件设备。

(5)视频会商

会商室和指挥调度室实现了与北京市水务局和各管理所的异地会商，发挥现场指挥调度决策的作用。

3.1.2数据信息资源

官厅水库管理处建设了空间数据库、实时水雨情数据库、水质数据库，积累了一定量的数据资源。

3.1.3水利模型和知识

官厅水库目前采用粗估径流系数法粗估降雨区的产流量，利用河道站上、下游洪峰相关的洪水传播时间相关曲线推求入库洪峰时间和洪量，对单元产流区的径流出流过程采用流量过程模式图计算，根据水库洪水调度方案，进行调洪演算推求水库最高水位出现时间及水库下泄流量。

已有北京市官厅水库洪水调度方案、设计洪水成果和调洪计算成果、调度会商、调度决策、调度实施方案等文件类成果，但未形成知识库。

3.1.4业务应用

官厅水库管理处主要应用上级业务应用系统，主要包括北京水情综合业务系统、北京市水务局综合信息平台、北京水旱灾害防御综合指挥平台、北京水文自动化系统查询、北京市水资源统一调度平台、卫星雨水情遥测系统、北京市重点流域洪水调度系统、大坝安全监测系统等，为防汛抗旱和水资源调配提供了重要的支撑。

3.2 问题与差距

3.2.1信息化基础设施不足

(1)感知体系

水情监测方面：水情监测观测点存在传输信号不稳定等问题，部分站点需要补充北斗应急通讯。

安全监测方面：大坝安全监测主要以全站仪半自动观测为主，个别仪器设备存在损坏和测值异常情况，尚未应用北斗、GNSS等技术，智能化程度不高。

视频监控方面：目前安防监测、森林防火视频点密度不足，溢洪道、闸门、泄洪洞缺少视频点监测运行状况和自动识别水尺读数功能，智能视频识别技术尚未应用。

其他方面：遥感、无人机智能巡检等监测手段应用不足。

(2)通信网络

数字孪生工程建设技术导则中要求“应接入上级单位水利业务网，连接带宽应满足服务调用和数据共享的需求，原则上宜不低于50M”。

官厅水库管理处与北京市水务局之间骨干通讯网为10M，难以满足数字孪生官厅水库对上级单位的信号实时传输、数据实时共享以及实时会商调度的需求。

此外，监测站网网络不稳定，存在传输信号易中断等问题；坝区移动运营商信号覆盖弱。

(3)闸门自动化控制

目前的闸门调度管理模式导致闸门控制者无法直观看到闸门状态，闸门状态的观察者又无法操作闸门；闸门控制模式采用手动控制方式，一是无法同步对多个闸门进行操作，二是很难控制闸门的升降精度。

(4)机房

机房建设年代久远，环境不符合标准机房要求，设备老旧，程控交换机不能满足现在的要求。

3.2.2数据开发利用有待提升

地理空间数据覆盖不全、精度不够，不足以搭建数字孪生场景；数据更新频率不足；数据来源较多、数据孤岛严重、标准不统一等问题；数据驱动不够，与全要素真实感知的要求不适应，不能满足数字孪生水利工程对“算据”的要求。

3.2.3水利模型和知识应用不足

模型方面：随着官厅水库流域城市化的快速发展，下垫面和产汇流条件发展巨大变化，原有计算方法和模型系统已难以满足实际需求；人工智能集合视频、图像、语音等技术尚未应用，缺少三维可视化场景模型和高性能模拟仿真引擎，难以支撑数字孪生高性能仿真。

知识方面：目前水利知识分散、零星分布，大部分以纸质或电子版为主，部分专家经验未能总结提炼。知识规模化程度不够，业务规则数字化应用程度较低。

3.2.4业务应用水平不高

官厅水库管理处现有系统比较分散，业务协同困难，信息无法及时共享，效率低下，急需整合各类系统，再造业务流程，形成一个全过程快速响应的业务平台。

3.2.5网络安全防护能力欠缺

随着机房设备增加，机房内现有的网络交换设备接入端口不足，现有防火墙老化，性能不足，不能满足当前通信网络需要，需要进行替换更新。

4 总体思路

4.1 建设目标

全息化洞悉水利工程状况，全过程评估水利工程状态，全景化模拟水利工程态势，全要素赋能水利工程管理，实现水利工程日常管理标准化、安全管理精细化、调度管理科学化，提升工程管理水平，为新阶段官厅水库高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

2023年：完善安全监测、闸门自动化改造、配电管理系统等基础设施，完成官厅水库工程运行管理智能化提升。

2024年：信息基础设施升级完成，遥感、无人机等手段全面应用，在防汛和工程日常管理方面完成智能业务升级，水资源、工程安全“四预”等业务建成，基本建成数字孪生平台，初步形成主要业务的智能应用全覆盖。

2025年：北斗应用持续深入，完成知识库建设、库区综合管理、综合决策支持业务应用建成，数字孪生平台与智能业务应用深度融合，数字孪生官厅水库工程基本建成。

4.2 总体框架

数字孪生官厅水库包括信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全体系等部分，总体框架图如图1所示。

图1 总体架构图

5 建设方案

5.1 数字孪生平台

数字孪生平台主要由数据底板、模型库、知识库、孪生引擎4部分构成[3]。

5.1.1数据底板

数据底板包括地理空间数据和其他数据。

(1)地理空间数据

地理空间数据包括共享的L1级、L2级数据与本项目建设的L3级数据。

L1级数据：共享水利部的官厅水库控制流域4.34万km2范围内L1级数据，L1级数据为优于30mDEM、优于2mDOM数据。

L2级数据：共享海委建设的永定河流域河流L2级数据，进行流域河流场景精细建模。包括洋河、桑干河、永定河、永定新河河道，长度860km，宽度：山区河道(洋河、桑干河、永定河三家店以上)1.0km，平原区河道(永定河三家店以下、永定新河)为堤防内。面积总计约1068km2。L2级数据为优于15mDEM、优于1mDOM数据。

L3地理空间数据具体建设内容如下：

DEM数据：对库区和坝区构建DEM，面积约168.51km2。库区范围为官厅水库管理范围线外扩10m，总面积168.29km2。坝区范围为官厅水库大坝上下游770m范围，范围包含枢纽工程构筑物、配套建筑及溢洪道等，总面积0.223km2。

DOM数据：对库区(不含水面)和坝区构建数字正射影像(DOM)，面积约73.223km2，库区DOM地面分辨率优于1m，坝区DOM地面分辨率优于0.1m。

水下地形数据：官厅水库库区大断面及回水区重要断面，范围为库区水面，面积约95km2。

实景三维数据：建立官厅水库坝区实景三维模型，总面积0.223km2。

BIM模型是官厅水库枢纽工程区域内建筑物、构筑物、设备设施等L3级数据的模型载体。BIM模型建设内容见表1。

表1 BIM模型建设内容

(2)其他数据

包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据。

5.1.2模型平台

(1)水利专业模型

水利专业模型包括水文模型、水动力模型、水资源模型、工程安全模型，为防洪调度、水资源调度、工程安全管理等业务提供决策支持。

1)水文模型

流域产汇流模型主要用于官厅水库上游来水预报。预报方案包括友谊水库、南洋河、西洋河、柴张区间、清水河、张响区间、册田水库、册石区间、钱家沙洼、东库区(妫水河～官厅区间)、西区库(石～响～官厅区间)共11个流域，预测入库八号桥和东大桥控制断面的流量过程。

2)水动力模型

建立官厅水库以下至屈家店的一维水动力模型，结合地形、地貌、土地利用等数据，进行一维非恒定流的动态模拟，实现水工建筑物及溃坝洪水模拟分析，永定河生态补水官厅水库放水后下游流量过程预测等。

3)水资源模型

建设中长期径流预报模型和生态流量优化调度等水资源模型，用于水资源管理与调配。中长期径流预报模型，包括趋势预测、自回归、门限多元回归、神经网络BP、支持向量机SVM等方法；生态流量优化调度模型：结合永定河全线通水业务需求，新建生态水量优化调度模型，实现官厅水库年度调度计划的制定，同时用于确定永定河重要河段生态基流、全线通水的河长、流动时间、有水时间。

4)工程安全模型

包括监测数据治理模型、大坝运行安全性态分析模型、大坝运行安全监测“四预”模型、大坝安全智能模型分析。

(2)人工智能模型

基于机器学习、卷积神经网络、大数据等核心算法，结合水利业务应用场景建设智能识别模型，对卫星遥感影像和无人机、摄像头等采集的视频图像进行智能化识别。

(3)可视化模型

以实体官厅水库为主体对象，L1、L2、L3级数据底板为基础，BIM模型为支撑，监测与业务管理为导向，构建官厅水库自然背景演变、水库上下游流场动态、水利工程、水利机电设备等4大场景类可视化模型。

5.1.3知识平台

在共享水利部、海委相关知识库的基础上，构建官厅水库工程知识图谱、预报调度方案集、工程安全知识集、业务规则集、历史场景集、经验集，同时为后续不断充实知识库提供便捷入口。

5.1.4孪生引擎

以数字孪生官厅水库建设需求为牵引，针对数据引擎、知识引擎、模拟仿真引擎内容进行建设，开发接口以网络应用程序接口(Web API)或软件开发工具包(SDK)等形式提供。

5.2 信息化基础设施

5.2.1监测感知

(1)大坝安全监测

基于北斗GNSS对现有77个大坝表面变形监测点进行改造，实现水库大坝表面水平位移的全天候自动化监测。

(2)山体监测

根据危岩体分区情况，在官厅水库大坝下游右岸山体隐患处安装危岩体监控设备，实现对山体滑坡隐患点的实时在线监测和预警分析。

(3)视频监控

新建19个视频站点，泄洪洞和溢洪道新建8处视频点，坝区增加6处安防监控视频点，库区森林增加2处防火视频点，三个湿地增加3处鸟类观测视频点。

(4)无人机巡检

开展无人机智能巡检，通过无人机智能自主实时视频、影像采集，对库区水面漂浮物、污染源、捕鱼、违规排放以及“乱占、乱采、乱堆、乱建”等情况进行定期监测，实现巡检无人值守，远程操控，数据处理流程式操作巡检图像、视频等自动化接入官厅水库数字孪生平台。

(5)卫星遥感监测

对库区和坝区应用卫星、无人机等遥感技术手段，定期开展高光谱高分辨率遥感监测，及时发现消落区及岸线违法违规水事行为，为库区监管工作提供全面准确的数据支撑。

5.2.2通信网络

对官厅水库水利业务网、移动网络和监测传输网络进行完善。

(1)水利业务网

考虑到数字孪生对网络传输的需求，将官厅水库管理处与北京市水务局之间骨干网络带宽拓宽至50M(由北京市水务局管理)。

(2)移动网络

建设覆盖坝区的无线网络系统，实现办公区域和坝区的移动应用全覆盖。需购置一套无线控制器AC及终端办公区的无线AP接入。

(3)应急通信

在枢纽中心、库区中心等部门配备卫星电话，并在防汛备汛工作中对配备的卫星电话进行测试和维护，满足日常和极端条件下的应急通讯保障需求。

建设基于北斗应急通信系统的指挥通信网，保障常规通信覆盖不到或因人为破坏和自然灾害影响而无法使用情况下的应急通讯。对官厅水库管理处自建的3个水文站(官厅水库水文站、官厅水库出库水文站、八号桥水文站)进行“公网+卫星”双主信道改造，实现遥测数据双主信道传输，确保极端天气条件、偏远地区等情况下，水文测站通信的实时性和可靠性。

5.2.3闸门可视化集控系统

建设溢洪道及新闸门井可视化集控系统，将需要监测和控制的信息数据集中到控制台进行一体化管控，包括闸门状态、闸门开度、闸前水位、供电系统等信息。通过设置在工业控制台的集控系统，集中控制溢洪道和泄洪洞新闸门井的所有闸门，展示闸门的实时画面或模拟画面，显示闸门开度和状态，可以通过设定开闸关闸数值来精准的控制各个闸门的上升或下降，也可以通过解锁按钮来手动控制闸门上升或下降，可将音视频数据通过现场大屏进行统一展示，有效的提高工作效率，确保水库运营安全。

5.2.4信息基础环境

(1)北京市水利云

数字孪生官厅水库拟部署在北京市电子政务云。根据业务实际需求在北京市电子政务云配套计算与存储资源，利用云管理软件实现资源的统一管理。其中，计算资源方面，服务器资源按照标准外界交换方式组网，配置5台设备共10个物理CPU节点，折合320核，通过外接交换机形成逻辑池。存储资源方面，按照云平台架构，采用分布式存储的方式进行资源池管理。网络资源方面，为完成资源组网，形成逻辑资源池，按照北京市电子政务云现有管理网络、存储网络、计算网络结构，配套网络交换设备。

(2)官厅水库管理处机房

按照相关的机房建设标准对机房进行改造，完成机房环境改造，机房运行环境监控系统建设，完成程控交换机的更换，更换空调，标准化线缆整理及标识。

(3)机房环境监控系统

改造机房环境监控系统，监控内容主要包括动力系统、环境系统、消防系统。

5.3 业务应用

在数字孪生平台和信息基础设施建设的基础上，构建应用系统，应用系统包括防洪预报调度、水资源调度、工程安全智能分析预警、水库综合管理等子系统，为官厅水库工程运行管理提供支撑。

5.3.1防洪预报调度

通过与流域水雨情实时信息的有效衔接提供流域水情服务，通过调用水利专业模型、智能模型等实现水库来水预报，并根据防洪形势对可能的风险进行洪水预警，调用模拟仿真引擎进行防汛预演、防汛协同工作预演、溃坝预演、下游淹没范围预演、人员转移预演，对预演结果进行影响评估。通过与已有调度预案及历史经验对比，确定最优调度预案，支撑官厅水库防洪调度业务，实现官厅水库防洪“四预”功能。

5.3.2水资源管理调配

在永定河水资源管理系统的基础上，建立官厅水库水资源管理台账；结合来水、生态流量以及用水等边界条件，构建水资源管理与调配“四预”体系，预报方面，通过中长期径流预报模型，对官厅水库中长期来水进行预测预报；预警方面，结合区域用水总量控制和生态流量监管要求，对官厅水库入库径流、出库水量以及生活、生态供用水情况进行实时监测，根据设置的预警启动条件开展预警；预演方面，围绕年度(月)水量调度计划和实时调度业务需要，对调度方案进行模拟仿真预演；预案方面，结合决策会商业务需求，开展水量调度方案滚动调整，制定官厅水库水量调度运行方案和应急调度预案。

5.3.3工程安全智能分析预警

整合现有的大坝安全监测系统，建设工程安全智能分析预警子系统。包括综合信息展示、安全分析预测、实时预警展示发布、巡查信息展示。

5.3.4库区综合管理

整合北京市水务局下发的库区巡查管理软件，形成库区、坝区、办公区以及湿地管理于一体的库区综合管理系统，实现库区管理标准化、流程化、网格化、精细化。

5.4 网络安全体系

按照关键信息基础设施安全保护有关法规、水利网络安全保护技术规范、网络安全等级保护相关规范要求。完善网络安全体系，强化安全防护和管理，统筹考虑物理和环境安全、网络与通信安全、设备与计算安全、应用与数据安全、安全管理平台、安全管理制度，实现网络安全体系的自主可控，重点保障关键信息基础设施安全。

6 结语

本文详细分析了官厅水库信息化建设的现状及差距，对照数字孪生工程建设技术要求，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，提出数字孪生官厅水库总体建设思路和方案，为实现水利工程日常管理标准化、安全管理精细化、调度管理科学化奠定了基础，为新阶段官厅水库高质量发展提供有力支撑和强力驱动，也为数字孪生工程建设探索了新的模式。